Insegnamento INORGANIC QUANTUM CHEMISTRY

Nome del corso Scienze chimiche
Codice insegnamento A002020
Curriculum Theoretical chemistry and computational modelling
Docente responsabile Filippo De Angelis
Docenti
  • Filippo De Angelis - Didattica Ufficiale
Ore
  • 83 ore - Didattica Ufficiale - Filippo De Angelis
CFU 9
Regolamento Coorte 2020
Erogato Erogato nel 2020/21
Erogato altro regolamento
Attività Caratterizzante
Ambito Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche
Settore CHIM/03
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Tipo attività Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento INGLESE
Contenuti Stato dell’arte e argomenti strategici nella ricerca internazionale in catalisi ed energia.
Introduzione all’approccio computazionale e modellistico allo studio di molecole e materiali inorganici per applicazioni catalitiche ed energetiche.
Fondamenti e implementazione di metodi basati sulla teoria del funzionale della densità elettronica (DFT).
Calcolo della geometria e della struttura elettronica di molecole e solidi.
Simulazione di proprietà spettroscopiche.
Utilizzo dei principali programmi di calcolo molecolari e di stato solido.
Visualizzazione ed interpretazione dei risultati mediante software grafici avanzati.
Testi di riferimento Slide delle lezioni forniti dal docente e appunti usati per l’effettuazione delle esercitazioni
I testi di riferimento sono:
F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999.
R. Hoffmann, Solids and Surfaces: A Chemist's View of Bonding in Extended Structures, Wiley, 1989. ISBN: 978-0-471-18710-3
R. G. Parr, W. Yang, Density Functional Theory of Atoms and Molecules, Oxford University Press.
Obiettivi formativi L'insegnamento si pone come approfondimento e sintesi dei percorsi formativi di chimica quantistica, inorganica, di stato solido, per la catalisi e per l’energia.
Il corso intende fornire agli studenti un'introduzione all’utilizzo del calcolatore e di strumenti di calcolo e teorie avanzate alla risoluzione di problemi di interesse pratico nei campi della catalisi ed energia.
L'obiettivo principale è mostrare come i metodi di simulazione e calcolo affrontati nel corso permettano lo studio modellistico di molecole e materiali di interesse in catalisi ed applicazioni energetiche, tramite l’utilizzo di programmi di calcolo ad ampia diffusione.
Ci si pone anche un obiettivo predittivo rispetto a nuovi processi o materiali, in cui il calcolo e la simulazione possono servire in alternativa o complementarietà ad indagini sperimentali.
Un obiettivo collaterale del corso è anche quello di acquisire familiarità con ambienti di calcolo e computer non usuali, sia in termini di sistema operativo che dimensioni e potenza.
Le principali abilità sviluppate acquisite durante il corso saranno:
• essere in grado di affrontare criticamente problemi di interesse catalitico ed energetici tramite un approccio computazionale come importante strumento di ricerca di base ed applicata;
• conoscere le basi teoriche e le limitazioni dei metodi di calcolo più diffusi in chimica computazionale e scienza dei materiali;
• apprendere l'utilizzo base di programmi di calcolo (ADF, Gaussian e Quantum Espresso) per lo studio di sistemi molecolari e in fase condensata.
• valutare criticamente i risultati computazionali ottenuti in relazione ad informazioni sperimentali sul sistema di interesse;
• capacità di previsione delle proprietà strutturali, reattive ed elettroniche di nuove molecole e materiali per catalisi ed energia disegnati al calcolatore.
Prerequisiti Al fine di saper affrontare il corso in maniera ottimale lo studente deve possedere le nozioni di base della chimica quantistica, inorganica, di stato solido, nonché fondamenti di catalisi e di chimica per l’energia.
Metodi didattici Il corso è organizzato in una serie di lezioni frontali abbinate ad esercitazioni pratiche al calcolatore su argomenti strategici con spunto dalla ricerca internazionale in catalisi ed energia. Le esercitazioni si svolgeranno presso il Laboratorio Computazionale di Fotovoltaico Ibrido/Organico di Perugia.
Altre informazioni Contattate il docente per ulteriori informazioni non contenute in queste schede
Modalità di verifica dell'apprendimento Preparazione e discussione di un progetto di ricerca autonomo prendendo spunto dagli argomenti trattati a lezione.
Programma esteso Stato dell’arte e argomenti strategici nella ricerca internazionale in catalisi ed energia:
• semiconduttori inorganici per fotovoltaico.
• materiali e processi per fotovoltaico di nuova generazione.
• lo splitting catalitico dell’acqua e la produzione catalitica di idrogeno.
Fondamenti e implementazione di metodi basati sulla teoria del funzionale della densità elettronica (DFT).
• La densità elettronica e gli orbitali molecolari.
• Le equazioni di Kohn-Sham e i funzionali di scambio-correlazione.
• Struttura elettronica di molecole e struttura a bande di solidi.
• Dettagli computazionali: Set di base, accuratezza numerica, effetti relativistici, effetti del solvente.
• Dinamica molecolare ab initio.
Introduzione all’approccio computazionale e modellistico allo studio di molecole e materiali inorganici per applicazioni catalitiche ed energetiche.
• Proprietà spettroscopiche, di stati eccitati e conducibilità elettrica.
• Teoria dello stato di transizione e di trasferimento elettronico.
• Proprietà calcolabili, complessità modellistica e loro accuratezza.

Calcolo della geometria e della struttura elettronica di molecole e solidi.
• Definizione di superficie di energia potenziale ed ottimizzazione di geometrie molecolari e di solidi inorganici.
• Calcolo delle frequenze vibrazionali e loro analisi per l’individuazione di stati di transizione e strutture di equilibrio.
• Dinamica molecolare e calcolo di proprietà termodinamiche.
Simulazione di proprietà spettroscopiche.
• Simulazione di spettri NMR, EPR, Uv-vis, IR e Raman di molecole e solidi.
Utilizzo dei principali programmi di calcolo molecolari e di stato solido.
• Costruzione di input per programmi di calcolo ad ampia diffusione (ADF, Gaussian, Quantum Espresso).
• Ottimizzazione del set-up computazionale (requisiti di memoria, CPU, spazio disco, tempi di esecuzione etc.)
• Lettura dei file di output ed interpretazione risultati.
Visualizzazione ed interpretazione dei risultati mediante software grafici avanzati.
• Visualizzazione strutture 3D di molecole e solidi (molden, Avogadro, ADFView, molekel, VMD).
• Visualizzazione di orbitali molecolari e densità elettroniche (molden, Avogadro, ADFView, molekel, VMD).
• Visualizzazione numerica risultati e interpolazione dati (gnuplot, matematica, xmgr, excell, origin).